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学术 2024-11-02 08:20 河南

可以触发铁电相变的横向光学（TO）声子的软化，通常可以通过增强短程结合力上的远程库仑相互作用来实现，例如，通过增加玻恩有效电荷。然而，它受到退极化效应的影响，因为诱导铁电性被抑制在高密度纳米级电子材料的尺寸减小上。

2024年10月30日，中国科学院半导体研究所骆军委、邓惠雄、宁波东方理工大学Wei Su-Huai共同通讯在Nature杂志在线发表了题为“Softening of the optical phonon by reduced interatomic bonding strength without depolarization”的研究论文，该研究发现在不退极化的情况下，通过降低原子间键强度使光学声子软化。

TO声子频率的显著降低在凝聚态物质中具有重要意义，因为它与铁电相变、相变材料、高介电常数介质和更好的热电性有关。TO声子软化被认为完全依赖于巨大玻恩动态电荷Z*引起的异常强的长程库仑相互作用或共振成键主导着短程成键力。由于与电场的强耦合，这使得相关性质对畴结构、缺陷和边界条件的细节非常敏感。特别是，铁电性钙钛矿由于不完全筛选表面电荷而产生退极化效应，这抑制了铁电性或显著降低了超薄膜中的介电常数，从而限制了对高密度纳米电子的潜在益处。

强长程库仑相互作用也限制了绝缘子带隙（Eg）与静态介电常数（εs）之间逆关系的解耦。然而，最近在宽带隙（Eg = 10.6 eV）岩盐BeO （rs-BeO）中发现了一个意想不到的大的静态介电常数，大约为271ε0（ε0是自由空间介电常数），并且具有极低的TO频率，尽管在更稳定的锌闪锌矿结构BeO（zb-BeO）中的静态介电常数很小（3.16ε0）。后者符合其9.3 eV大带隙的普遍期望。这种意想不到的现象激励人们探索其他途径来软化TO模式，以克服强远程库仑相互作用的这些不良影响。

rs-BeO中第一神经网络原子间相互作用力的显著降低（图源自Nature）

在这里，研究人员提出了另一种驱动TO声子软化的途径，表明岩盐结构超宽带隙BeO中的异常软TO声子主要是由于电子云重叠引起的库伦排斥引起的Be-O键拉伸导致的短程键相互作用的大幅减少，这是由相邻的两个氧离子之间的库伦排斥引起的，这两个氧离子以八面体形式排列在一个极小的Be离子周围。进一步证明了在晶格不匹配的SiO2/Si衬底上外延生长的应变诱导钙钛矿BaZrO3和超薄HfO2和ZrO2薄膜中出现了强大的铁电性，这是由于双轴应变诱导拉伸键的短距离键合强度降低导致TO声子的软化。这些发现揭示了通过使用离子半径差、应变、掺杂和晶格畸变来调整化学键，从而在无退极化场的超薄膜中增强铁电性的统一理论。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08099-0

文章来源：iNature。

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